CN109728627A - 一种实现电磁成形系统长寿命的电路结构及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种实现电磁成形系统长寿命的电路结构及其方法，包括电容电源、放电开关、驱动线圈，该电路结构还包括：用于转换充电极性的单刀三掷开关；用于实现电容电源充电的整流二极管；用于实现电容电源极性反向的晶闸管开关组：用于测量放电电流的电流检测单元；所述整流二极管包括正向整流二极管、负向整流二极管；所述晶闸管开关组包括高压侧晶闸管开关一、低压侧晶闸管开关二、低压侧晶闸管开关一、高压侧晶闸管开关二。本发明通过消除电容电源的反压、降低驱动线圈上耗散的焦耳热，回收大部分能量作为下一次电磁成形所需的能量，从而实现长寿命电磁成形系统，且能够提升电磁成形系统的效率。
Description
技术领域
本发明属于电力设备检测，特别涉及一种实现电磁成形系统长寿命的电路结构及其方法，主要用于提高电磁成形系统的放电寿命。
背景技术
轻量化是航空航天、汽车工业等领域实现节能减排的重要技术手段。而实现轻量化的主要途径是采用轻质合金材料，高性能铝合金、钛合金、镁合金成为现代航空航天、汽车工业等实现轻量化的首选材料；电磁成形是一种高速率脉冲成形技术，能大幅改善金属材料成形性能，是解决轻质合金成形困难的有效手段之一。
电磁成形中，通过电容电源对驱动线圈放电，在驱动线圈内产生强大的脉冲电流，与此同时在金属工件中产生感应涡流；激励电流和感应电流之间的相互电磁力，驱动金属工件加速并发生塑性变形。显然，电容电源和驱动线圈是电磁成形最主要的部件。现有电磁成形技术中，采用电容电源作为电源为驱动线圈供电，一般放电电流为一衰减的正弦波，而电容电源上的电压亦为一衰减的余弦波。这一放电形式将导致以下问题：电容电源反压高达80%以上，极大地缩短了电容电源的寿命；驱动线圈吸收了大部分的电能转换驱动线圈的焦耳热，导致驱动线圈温升严重，极大地缩短了电容电源的使用寿命；同时，因为大部分能量被驱动线圈以焦耳热的形式耗散掉，导致整个电磁成形系统的效率低下。
如专利“一种电磁成形装置及方法（CN 103817197 B）”，公开了一种电磁成装置及方法，通过驱动线圈驱动成形线圈随工件的变形运动，使成形线圈始终贴近工件，为工件的电磁成形提供持续的随形分布的电磁力，能有效提高工件的成形深度，并改善工件的贴模性。然而，此发明中脉冲电源提供的脉冲电流为衰减正弦波，导致脉冲电源的寿命不长，同时严重的焦耳热亦会导致驱动线圈和成形线圈的使用寿命。论文“Analysis andreduction of coil temperature rise in electromagnetic forming （Journal ofMaterials Processing Technology 225 (2015) 185–194）”提出了一种新型电路实现驱动线圈温升的降低，其通过续流回路串联续流电阻的方式转移部分焦耳热至续流电阻上，以达到降低线圈温升，提高驱动线圈寿命的目的。然而，这一方法中，虽然续流回路可以降低电容电源的反压，但却无法完全避免，对电容电源的寿命仍有一定的影响；同时，能量以焦耳热的形式耗散在续流电阻上，导致电磁成形效率并不高。
发明内容
为此，本发明提供了一种实现电磁成形系统长寿命的电路结构及其方法，主要通过消除电容电源的反压、降低驱动线圈上耗散的焦耳热，回收大部分能量作为下一次电磁成形所需的能量，从而实现长寿命电磁成形系统，且能够提升电磁成形系统的效率。
本发明采取的技术方案为：
一种实现电磁成形系统长寿命的电路结构，包括电容电源、放电开关、驱动线圈，该电路结构还包括：
用于转换充电极性的单刀三掷开关；
用于实现电容电源充电的整流二极管；
用于实现电容电源极性反向的晶闸管开关组：
用于测量放电电流的电流检测单元；
所述整流二极管包括正向整流二极管、负向整流二极管；
所述晶闸管开关组包括高压侧晶闸管开关一、低压侧晶闸管开关二、低压侧晶闸管开关一、高压侧晶闸管开关二；
交流电源一侧连接单刀三掷开关一端，单刀三掷开关另一端触点a连接正向整流二极管一端，单刀三掷开关另一端触点b连接负向整流二极管一端，正向整流二极管另一端、负向整流二极管另一端均连接放电开关一端，放电开关另一端连接驱动线圈一侧，驱动线圈另一侧连接电流检测单元另一端，电流检测单元一端连接交流电源另一侧；
放电开关一端分别连接高压侧晶闸管开关一一端、低压侧晶闸管开关二一端，高压侧晶闸管开关一另一端分别连接高压侧晶闸管开关二一端、电容电源一侧，低压侧晶闸管开关二另一端分别连接电容电源另一侧、低压侧晶闸管开关一一端，高压侧晶闸管开关二另一端、低压侧晶闸管开关一另一端均连接至电流检测单元一端。
一种实现电磁成形系统长寿命的方法，包括以下步骤：
S1：闭合高压侧晶闸管开关一和低压侧晶闸管开关一，断开高压侧晶闸管开关二和低压侧晶闸管开关二，将单刀三掷开关置于a点，采用正向整流二极管对电容电源充电，直至电容电源电压为U0；
S2：将单刀三掷开关置于c点，闭合放电开关，电容电源对驱动线圈放电，产生脉冲电流，采用电流检测单元检测脉冲电流；
S3：在脉冲电流达到第一个电流峰值，di/dt=0时，闭合高压侧晶闸管开关二和低压侧晶闸管开关二，随后断开高压侧晶闸管开关一和低压侧晶闸管开关一，实现电容电源的极性反向；
S4：继续检测脉冲电流，在脉冲电流达到第一个半波结束，i=0时，断开放电开关，结束放电过程；
S5：将单刀三掷开关置于b点，采用负向整流二极管对电容电源充电，直至电容电源电压为U0；
S6：将单刀三掷开关置于c点，闭合放电开关，电容电源对驱动线圈放电，产生脉冲电流，采用电流检测单元检测脉冲电流；
S7：在脉冲电流达到第一个电流峰值，di/dt=0时，闭合高压侧晶闸管开关一和低压侧晶闸管开关一，随后断开高压侧晶闸管开关二和低压侧晶闸管开关二，实现电容电源的极性反向；
S8：继续检测脉冲电流，在脉冲电流达到第一个半波结束，i=0时，断开放电开关，结束放电过程；
重复以上过程，实现长寿命电磁成形系统。
闭合高压侧晶闸管开关二和低压侧晶闸管开关二与断开高压侧晶闸管开关一和低压侧晶闸管开关一之间的时延小于等于100微秒。时延过大会影响装置的效果，时延过小会导致装置成本增加。100微秒对于目前的技术而言比较容易实现，又不会太影响装置的效果。
闭合高压侧晶闸管开关一和低压侧晶闸管开关一与断开高压侧晶闸管开关二和低压侧晶闸管开关二之间的时延小于等于100微秒。时延过大会影响装置的效果，时延过小会导致装置成本增加。100微秒对于目前的技术而言比较容易实现，又不会太影响装置的效果。
本发明一种实现电磁成形系统长寿命的电路结构及其方法，优点在于：
1、电容电源不存在反压，极大地提高了电磁成形系统电容电源的寿命；
2、单次电磁成形中驱动线圈仅存在半个周期的脉冲电流，极大地降低驱动线圈上耗散的焦耳热，提高驱动线圈的寿命，且能够提升电磁成形系统的效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的电路结构示意图。
图2为本发明电容电源的电压（U）和驱动线圈的电流（I）示意图。
其中： 1.电容电源；2.晶闸管开关组；21.高压侧晶闸管开关一；22.低压侧晶闸管开关二；23.低压侧晶闸管开关一；24.高压侧晶闸管开关二；3.整流二极管；31.正向整流二极管；32.负向整流二极管；4.单刀三掷开关；5.放电开关；6.驱动线圈；7.电流检测单元。
具体实施方式
一种实现电磁成形系统长寿命的电路结构，包括电容电源1、放电开关5、驱动线圈6，该电路结构还包括：
用于转换充电极性的单刀三掷开关4；
用于实现电容电源1充电的整流二极管3；
电容电源1采用金属化膜电容器，电容值10-10000μF，电容电压1-50kV。
用于实现电容电源1极性反向的晶闸管开关组2：
用于测量放电电流的电流检测单元7；电流检测单元7采用皮尔森电流探头。
所述整流二极管3包括正向整流二极管31、负向整流二极管32；
正向整流二极管31、负向整流二极管32，型号大功率二极管ZPB 4600。
所述晶闸管开关组2包括高压侧晶闸管开关一21、低压侧晶闸管开关二22、低压侧晶闸管开关一23、高压侧晶闸管开关二24；
交流电源一侧连接单刀三掷开关4一端，单刀三掷开关4另一端触点a连接正向整流二极管31一端，单刀三掷开关4另一端触点b连接负向整流二极管32一端，正向整流二极管31另一端、负向整流二极管32另一端均连接放电开关5一端，放电开关5另一端连接驱动线圈6一侧，驱动线圈6另一侧连接电流检测单元7另一端，电流检测单元7一端连接交流电源另一侧；
放电开关5一端分别连接高压侧晶闸管开关一21一端、低压侧晶闸管开关二22一端，高压侧晶闸管开关一21另一端分别连接高压侧晶闸管开关二24一端、电容电源1一侧，低压侧晶闸管开关二22另一端分别连接电容电源1另一侧、低压侧晶闸管开关一23一端，高压侧晶闸管开关二24另一端、低压侧晶闸管开关一23另一端均连接至电流检测单元7一端。
交流电源为380V、50Hz交流电源。
实施例：
图1为实现电磁成形系统长寿命的电路结构示意图。图2为电容电源的电压（U）和驱动线圈的电流（I）示意图。按照图1所述搭建电磁成形系统。0时刻时，断开放电开关，断开高压侧晶闸管开关二和低压侧晶闸管开关二，闭合高压侧晶闸管开关一和低压侧晶闸管开关一，将单刀三掷开关置于a点，采用正向整流二极管对电容电源充电；T1时刻时，电容电源的电源充电至设定值U0，将单刀三掷开关置于c点，完成充电过程；T2时刻时，闭合放电开关，电容电源对驱动线圈放电，产生脉冲电流，采用电流检测单元检测脉冲电流；T3时刻时，检测到驱动线圈的电流达到电流峰值（di/dt=0），闭合高压侧晶闸管开关二和低压侧晶闸管开关二，随后（小于等于100微秒）断开高压侧晶闸管开关一和低压侧晶闸管开关一，实现电容电源的极性反向；T4时刻时，检测到驱动线圈的电流达到第一个半波结束（i=0），断开放电开关，结束放电过程，完成第一次电磁成形过程；T5时刻时，将单刀三掷开关置于b点，采用负向整流二极管对电容电源充电；T6时刻时，电容电源的电源充电至设定值U0，将单刀三掷开关置于c点，完成充电过程；T7时刻时，闭合放电开关，电容电源对驱动线圈放电，产生脉冲电流，采用电流检测单元检测脉冲电流；T8时刻时，检测到驱动线圈的电流达到电流峰值（di/dt=0），闭合高压侧晶闸管开关一和低压侧晶闸管开关一，随后（小于等于100微秒）断开高压侧晶闸管开关二和低压侧晶闸管开关二，实现电容电源的极性反向；T9时刻时，检测到驱动线圈的电流达到第一个半波结束（i=0），断开放电开关，结束放电过程；重复以上过程，实现长寿命电磁成形系统。
Claims (4)
1.一种实现电磁成形系统长寿命的电路结构，包括电容电源（1）、放电开关（5）、驱动线圈（6），其特征在于：该电路结构还包括：
用于转换充电极性的单刀三掷开关（4）；
用于实现电容电源（1）充电的整流二极管（3）；
用于实现电容电源（1）极性反向的晶闸管开关组（2）：
用于测量放电电流的电流检测单元（7）；
所述整流二极管（3）包括正向整流二极管（31）、负向整流二极管（32）；
所述晶闸管开关组（2）包括高压侧晶闸管开关一（21）、低压侧晶闸管开关二（22）、低压侧晶闸管开关一（23）、高压侧晶闸管开关二（24）；
交流电源一侧连接单刀三掷开关（4）一端，单刀三掷开关（4）另一端触点a连接正向整流二极管（31）一端，单刀三掷开关（4）另一端触点b连接负向整流二极管（32）一端，正向整流二极管（31）另一端、负向整流二极管（32）另一端均连接放电开关（5）一端，放电开关（5）另一端连接驱动线圈（6）一侧，驱动线圈（6）另一侧连接电流检测单元（7）另一端，电流检测单元（7）一端连接交流电源另一侧；
放电开关（5）一端分别连接高压侧晶闸管开关一（21）一端、低压侧晶闸管开关二（22）一端，高压侧晶闸管开关一（21）另一端分别连接高压侧晶闸管开关二（24）一端、电容电源（1）一侧，低压侧晶闸管开关二（22）另一端分别连接电容电源（1）另一侧、低压侧晶闸管开关一（23）一端，高压侧晶闸管开关二（24）另一端、低压侧晶闸管开关一（23）另一端均连接至电流检测单元（7）一端。
2.采用如权利要求1所述电路结构的一种实现电磁成形系统长寿命的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：闭合高压侧晶闸管开关一（21）和低压侧晶闸管开关一（23），断开高压侧晶闸管开关二（24）和低压侧晶闸管开关二（22），将单刀三掷开关（4）置于a点，采用正向整流二极管（31）对电容电源（1）充电，直至电容电源（1）电压为U0；
S2：将单刀三掷开关（4）置于c点，闭合放电开关（5），电容电源（1）对驱动线圈（6）放电，产生脉冲电流，采用电流检测单元（7）检测脉冲电流；
S3：在脉冲电流达到第一个电流峰值，di/dt=0时，闭合高压侧晶闸管开关二（24）和低压侧晶闸管开关二（22），随后断开高压侧晶闸管开关一（21）和低压侧晶闸管开关一（23），实现电容电源（1）的极性反向；
S4：继续检测脉冲电流，在脉冲电流达到第一个半波结束，i=0时，断开放电开关（5），结束放电过程；
S5：将单刀三掷开关（4）置于b点，采用负向整流二极管（32）对电容电源（1）充电，直至电容电源（1）电压为U0；
S6：将单刀三掷开关（4）置于c点，闭合放电开关（5），电容电源（1）对驱动线圈（6）放电，产生脉冲电流，采用电流检测单元（7）检测脉冲电流；
S7：在脉冲电流达到第一个电流峰值，di/dt=0时，闭合高压侧晶闸管开关一（21）和低压侧晶闸管开关一（23），随后断开高压侧晶闸管开关二（24）和低压侧晶闸管开关二（22），实现电容电源（1）的极性反向；
S8：继续检测脉冲电流，在脉冲电流达到第一个半波结束，i=0时，断开放电开关（5），结束放电过程；
重复以上过程，实现长寿命电磁成形系统。
3.根据权利要求2所述一种实现电磁成形系统长寿命的方法，其特征在于：闭合高压侧晶闸管开关二和低压侧晶闸管开关二与断开高压侧晶闸管开关一和低压侧晶闸管开关一之间的时延小于等于100微秒。
4.根据权利要求2所述一种实现电磁成形系统长寿命的方法，其特征在于：闭合高压侧晶闸管开关一和低压侧晶闸管开关一与断开高压侧晶闸管开关二和低压侧晶闸管开关二之间的时延小于等于100微秒。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20190507 Assignee: Hubei Feiou Commercial Management Co.,Ltd. Assignor: CHINA THREE GORGES University Contract record no.: X2023980045280 Denomination of invention: A Circuit Structure and Method for Realizing Long Life of Electromagnetic Forming Systems Granted publication date: 20220520 License type: Common License Record date: 20231102 |